Microfluïdische apparaten zijn kleine systemen met microscopisch kleine kanalen die kunnen worden gebruikt voor chemische of biomedische tests en onderzoek. In een potentieel baanbrekende vooruitgang, MIT-onderzoekers hebben nu microfluïdische systemen ingebouwd in individuele vezels, waardoor het mogelijk is om veel grotere hoeveelheden vloeistof te verwerken, op meer complexe manieren. In zekere zin, de opmars opent een nieuw 'macro'-tijdperk van microfluïdica.

Traditionele microfluïdische apparaten, ontwikkeld en op grote schaal gebruikt in de afgelopen decennia, zijn vervaardigd op microchip-achtige structuren en bieden manieren om te mengen, scheiden, en het testen van vloeistoffen in microscopisch kleine volumes. Medische tests waarvoor slechts een klein druppeltje bloed nodig is, bijvoorbeeld, vertrouwen vaak op microfluïdica. Maar de kleine schaal van deze apparaten brengt ook beperkingen met zich mee; bijvoorbeeld, ze zijn over het algemeen niet nuttig voor procedures waarbij grotere hoeveelheden vloeistof nodig zijn om stoffen in minieme hoeveelheden te detecteren.

Een team van MIT-onderzoekers heeft daar een manier voor gevonden, door microfluïdische kanalen in vezels te maken. De vezels worden zo lang gemaakt als nodig is om een ​​grotere doorvoer mogelijk te maken, en ze bieden een grote controle en flexibiliteit over de vormen en afmetingen van de kanalen. Het nieuwe concept wordt beschreven in een artikel dat deze week in het tijdschrift verschijnt Proceedings van de National Academy of Sciences , geschreven door MIT-afgestudeerde student Rodger Yuan, professoren Joel Voldman en Yoel Fink, en vier anderen.

Een multidisciplinaire aanpak

Het project kwam tot stand als resultaat van een "speedstorming"-evenement (een samensmelting van brainstormen en speeddaten, een idee geïnitieerd door professor Jeffrey Grossman) dat werd geïnitieerd door Fink toen hij directeur was van MIT's Research Laboratory of Electronics. De evenementen zijn bedoeld om onderzoekers te helpen bij het ontwikkelen van nieuwe samenwerkingsprojecten, door tweetallen studenten en postdocs zes minuten per keer te laten brainstormen en in een uur honderden ideeën te bedenken, die worden gerangschikt en beoordeeld door een panel. In deze specifieke speedstormsessie, studenten in elektrotechniek werkten samen met anderen in materiaalkunde en microsysteemtechnologie om een ​​nieuwe benadering van celsortering te ontwikkelen met behulp van een nieuwe klasse van multimateriaalvezels.

Yuan legt uit dat hoewel microfluïdische technologie uitgebreid is ontwikkeld en op grote schaal wordt gebruikt voor het verwerken van kleine hoeveelheden vloeistof, het lijdt aan drie inherente beperkingen met betrekking tot de totale grootte van de apparaten, hun kanaalprofielen, en de moeilijkheid om extra materialen zoals elektroden op te nemen.

Omdat ze meestal worden gemaakt met behulp van chipproductiemethoden, microfluïdische apparaten zijn beperkt tot de grootte van de siliciumwafels die in dergelijke systemen worden gebruikt, die niet meer dan ongeveer 8 inch breed zijn. En de fotolithografische methoden die worden gebruikt om dergelijke chips te maken, beperken de vormen van de kanalen; ze kunnen alleen vierkante of rechthoekige doorsneden hebben. Eindelijk, eventuele aanvullende materialen, zoals elektroden voor het detecteren of manipuleren van de inhoud van de kanalen, moeten afzonderlijk in een afzonderlijk proces worden geplaatst, hun complexiteit ernstig beperken.

"Siliciumchiptechnologie is heel goed in het maken van rechthoekige profielen, maar alles daarbuiten vereist echt gespecialiseerde technieken, " zegt Yuan, die het werk uitvoerde in het kader van zijn promotieonderzoek. "Ze kunnen driehoeken maken, maar alleen met bepaalde specifieke hoeken." Met de nieuwe op vezels gebaseerde methode die hij en zijn team ontwikkelden, een verscheidenheid aan dwarsdoorsnedevormen voor de kanalen kan worden geïmplementeerd, inclusief ster, Kruis, of vlinderdasvormen die nuttig kunnen zijn voor bepaalde toepassingen, zoals het automatisch sorteren van verschillende soorten cellen in een biologisch monster.

In aanvulling, voor conventionele microfluïdica, elementen zoals detectie- of verwarmingsdraden, of piëzo-elektrische apparaten om trillingen in de bemonsterde vloeistoffen op te wekken, moet in een later verwerkingsstadium worden toegevoegd. Maar ze kunnen volledig worden geïntegreerd in de kanalen in het nieuwe glasvezelsysteem.

Een krimpend profiel

Net als andere complexe vezelsystemen die in de loop der jaren zijn ontwikkeld in het laboratorium van co-auteur Yoel Fink, hoogleraar materiaalkunde en engineering en hoofd van het Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA) consortium, deze vezels worden gemaakt door te beginnen met een overmaatse polymeercilinder die een voorvorm wordt genoemd. Deze preforms bevatten de exacte vorm en materialen die gewenst zijn voor de uiteindelijke vezel, maar in veel grotere vorm, waardoor ze veel gemakkelijker te maken zijn in zeer nauwkeurige configuraties. Vervolgens, de preform wordt verwarmd en in een drop-toren geladen, waar het langzaam door een mondstuk wordt getrokken dat het vernauwt tot een smalle vezel die een veertigste van de diameter van de voorvorm is, met behoud van alle interne vormen en arrangementen.

In het proces, het materiaal wordt ook met een factor 1 verlengd 600, zodat een 100 millimeter lange (4 inch lange) voorvorm, bijvoorbeeld, wordt een vezel van 160 meter lang (ongeveer 525 voet), waardoor de lengtebeperkingen die inherent zijn aan de huidige microfluïdische apparaten drastisch worden overwonnen. Dit kan cruciaal zijn voor sommige toepassingen, zoals het detecteren van microscopisch kleine objecten die in zeer kleine concentraties in de vloeistof voorkomen, bijvoorbeeld een klein aantal kankercellen tussen miljoenen normale cellen.

"Soms moet je veel materiaal verwerken omdat wat je zoekt zeldzaam is, " zegt Voldman, een hoogleraar elektrotechniek die gespecialiseerd is in biologische microtechnologie. Dat maakt deze nieuwe op vezels gebaseerde microfluïdische technologie bijzonder geschikt voor dergelijke toepassingen, hij zegt, omdat "de vezels willekeurig lang kunnen worden gemaakt, " waardoor de vloeistof meer tijd heeft om in het kanaal te blijven en ermee in wisselwerking te staan.

Terwijl traditionele microfluïdische apparaten lange kanalen kunnen maken door heen en weer te lussen op een kleine chip, de resulterende wendingen veranderen het profiel van het kanaal en beïnvloeden de manier waarop de vloeistof stroomt, terwijl deze in de vezelversie zo lang kunnen worden gemaakt als nodig is, zonder veranderingen in vorm of richting, ononderbroken doorstroming mogelijk maken, zegt Yuan.

Het systeem maakt het ook mogelijk om elektrische componenten zoals geleidende draden in de vezel op te nemen. Deze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om cellen te manipuleren, met behulp van een methode genaamd diëlektroforese, waarin cellen verschillend worden beïnvloed door een elektrisch veld dat wordt geproduceerd tussen twee geleidende draden aan de zijkanten van het kanaal.

Met deze geleidende draden in het microkanaal, men kan de spanning regelen, zodat de krachten "duwen en trekken op de cellen, en je kunt het doen bij hoge stroomsnelheden, ' zegt Voldman.

Als demonstratie, het team maakte een versie van het lange-kanaals vezelapparaat dat is ontworpen om cellen te scheiden, het sorteren van dode cellen van levende, en bewees zijn efficiëntie bij het volbrengen van deze taak. Met verdere ontwikkeling, ze verwachten een subtielere onderscheiding tussen celtypes te kunnen maken, zegt Yuan.

"Voor mij was dit een prachtig voorbeeld van hoe nabijheid tussen onderzoeksgroepen in een interdisciplinair lab als RLE leidt tot grensverleggend onderzoek, geïnitieerd en geleid door een afstudeerder. Wij, de faculteit, werden in wezen meegesleurd door onze studenten, ' zegt Fink.

De onderzoekers benadrukken dat ze de nieuwe methode niet zien als vervanging voor de huidige microfluïdica, die voor veel toepassingen heel goed werken. "Het is niet bedoeld om te vervangen; het is bedoeld als aanvulling op" huidige methoden, Voldman zegt, waardoor een aantal nieuwe functies voor bepaalde toepassingen die voorheen niet mogelijk waren.